CN110213816A - 基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法 - Google Patents

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吴博凡
李嘉钰
刘婷婷
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徐婷珍
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Abstract

本发明提供了一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法。针对提高空间调制的安全性方面的问题，在发射信号中引入了人工噪声，由此产生了发射有用信号和人工噪声的功率分配的问题，为求解出可以提供更好的安全性的功率分配因子，可以利用梯度下降算法等方法。本发明利用了信干噪比（SINR）的概念，提出了一种最大化信号干扰噪声比和人工噪声干扰噪声比的乘积（Max‑P‑SINR‑ANSNR）的方法，为功率分配因子提供了一个极低复杂度的解析解，使得空间调制有很好的安全性能，能够获得接近最优的安全速率。

Description

基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法。
背景技术
在多输入多输出系统中，空间调制利用了激活天线的指数和振幅相位调制符号来传输消息。由于无线传输的广播特性，物理层安全成为无线通信中的一个迫切而重要的问题。
如何使空间调制具有实现安全传输的能力成为空间调制网络的一个重要问题。如果不知道窃听者的位置，机密消息通过将人工噪声投射到所需通道的零空间中，安全地从空间调制发射机传输到期望的接收接收机。有一种全双工的接收机，它接收到机密信息的同时还会发出人工噪声来影响非法接收机接受信息。这个方案有高的抗窃听能力。两种新的安全空间调制网络的发射天线选择方案：最大化安全速率和泄露被提出，这种基于泄漏的天线选择方案以非常低的复杂性实现了极好的安全速率性能。
作为提高空间调制网络安全性的一种有效方法，功率分配对安全速率的性能有重要影响。可以通过穷尽搜索，得出最佳的功率分配因子，以最大限度地提高安全速率的性能。由于安全速率没有封闭形式的表达式，这导致功率分配因子的穷尽搜索计算复杂度很高。这促使我们为功率分配策略寻找闭式解。由此本发明提供了一种最大化信号干扰噪声比(signal-to-interference-plus-noise ratio,SINR)和人工噪声信号噪声比(artificial-noise-to-signal-plus-noise ratio,ANSNR)的乘积(maximum product ofsignal-to-interference-plus-noise ratio and artificial-noise-to-signal-plus-noise ratio,Max-P-SINR-ANSNR)的功率分配策略，在最大化SINR和ANSNR之间达到一个很好的平衡，并且获得了一个极低复杂度的解析表达式。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法，其内容如下：
假设空间调制的系统模型中，发射机Alice有Nt个发射天线，期望接收机Bob有Nr个接收天线，窃听接收机有Ne个接收天线，发射信号为M阶调制符号；
每次发射的log2NtM比特信息被分为两部分，发射天线只激活其中一个发射天线工作，激活天线的指数携带log2Nt比特信息，激活的天线发送的调制符号携带另外log2M比特信息；
Alice发射信号到Bob，Eve想要拦截发射天线发射的信号；
发射信号包括有用信号和人工噪声两部分，利用功率分配因子分配有用信号和人工噪声以获得好的安全性能；
通过最大化期Alice的信号干扰噪声比(SINR)和Eve的人工噪声信号噪声比(ANSNR)的乘积，得到功率分配因子的一个解析解，以获得好的安全性能。
本发明基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法的具体实施过程为：发射信号包括有用信号eibj和人工噪声TANn两部分，在两者之间引入功率分配因子β并表示出发射信号为根据发射机到合法接收机以及发射机到窃听者的信道HB和HE，得到Bob的接收信号yB＝HBs+nB以及Eve的接收信号yE＝HEs+nE；进而可以表示出Alice到Bob以及Alice到Eve的互信息量I(x；yB)和I(x；yE)，由此可以表示出该系统模型的平均安全速率。
利用Alice和Bob的接收信号，可以分别表示出Bob的信号干扰噪声比(SINR)以及Eve的人工噪声信号噪声比(ANSNR)，为获得更好的安全性能，应最大化SINR和ANSNR。
为了将SINR和ANSNR的最大化得到平衡，令两者的乘积最大化，即最大化SINR和ANSNR的乘积(Max-P-SINR-ANSNR)，进而求解功率分配因子的解析解。
与现有技术相比，本发明所提出的功率分配方法可以通过简单的求导求出功率分配因子的解析解，具有极低的复杂度，并且求出的功率分配因子可以得到接近最优的安全速率，使得空间调制具有好的安全性能，而其他功率分配的方法如梯度下降法和凸优化等的方法，无法求出功率分配因子的解析解，并且因为需要迭代而有很高的复杂度，又考虑到本发明所提出的方法与这些方法有很接近的性能，因此本发明所提出的方法具有很大的优势，可以应用于未来的基于安全空间调制的网络中，如无人机、未来移动网络和智能交通等。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明的实现流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
考虑一个空间调制系统模型，发射机Alice有Nt个发射天线，期望接收机Bob有Nr个接收天线，窃听接收机Eve有Ne个接收天线，发射信号为M阶调制符号。每次发射log2NtM比特信息，其中log2Nt比特的信息用于选择激活天线，log2M比特的信息用于形成星座符号。有辅助人工噪声的发射信号可以表示为
其中β∈[0,1]是功率分配因子，P是发射信号的总功率，ei是单位矩阵INt的第i列，意味着第i个天线被选择发射符号bj，bj也就是从M进制星座图中等概率选取的输入符号。TAN是人工噪声矢量n的投影矩阵，满足条件tr(TTH)＝1，tr(·)表示矩阵的迹。在Bob和Eve的接受矢量分别为
其中，HB和HE是发射机到合法接收机和窃听接收机的复信道增益矩阵，它们的每个元素都服从零均值单位方差的高斯分布nB和nE分别是期望和窃听接收机的复高斯噪声，服从和发射机到合法接收机和窃听接收机的互信息量可以表示为
其中dij＝xi-xj，dmk＝xm-xk。xi,xj,xm和xk是在联合天线和所有可能的符号矢量集合中一个可能的发射矢量。和分别是期望接收机和合法接收机干扰加噪声的协方差矩阵，左乘和是线性变换，不改变互信息量，因此I(x；yB)＝I(x；y'B)且I(x；yE)＝I(x；y'E)。除此之外， 是零均值白高斯噪声矢量。因此，平均安全速率可以定义为
其中[a]+＝max(a,0)，Rs＝I(x；yB)-I(x；yE)是一个特定信道的瞬时安全速率。优化问题可以表示为
根据信号干扰噪声比的概念，Alice的SINR可以表示为
同样地，对于Eve，把人工噪声看做有用信号，可以得到ANSNR为
联合优化两个目标函数SINRB和ANSNRE是很困难的一件事，为了简化问题，我们令SINRB和ANSNRE的乘积作为一个新的目标函数，最大化它们的乘积相当于同时最大化SINRB和ANSNRE中的任何一个，这样可以对SINRB和ANSNRE的最大化进行平衡，也可以平衡优化的性能和复杂度。
它们的乘积可以表示为
其中， 且因此，该联合优化可以表示为
因此，(11)式的β值应满足下式
其中，a＝cbbe-cebb且b＝cebb+cecb。根据(12)式，其分母和a都大于零，我们只需要求-(aβ2+2bβ-b)＝0的解。由于a>0并且4b2+4ab>0，所以有两个实数解。所以，(11)式的可行解集合为
其中，β1和β2是(12)式的两个解，β3＝0和β4＝1是β取值范围的两个端点。β3＝0意味着没有发送信息，也就是说安全速率为零，因此它不是(11)的解。β1<0不在可行解范围[01]内，也不是(11)的解。由于f(β)在区间[0 1]内是连续可微的，且其一阶导数f’(β)在区间[0 1]内是负的，所以β4＝1是局部最小值点，β2是局部最大值点。因此我们有唯一解
(14)式是本发明求出的功率分配因子，该功率分配因子可以获得与最优功率分配接近的安全性能，并且有极低的复杂度。

Claims (5)

1.一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法，其特征在于：
假设空间调制的系统模型中，发射机Alice有Nt个发射天线，期望接收机Bob有Nr个接收天线，窃听接收机Eve有Ne个接收天线，发射信号为M阶调制符号；
每次发射的log2NtM比特信息被分为两部分，发射机Alice只激活其中一个发射天线工作，激活天线的指数携带log2Nt比特信息，激活的天线发送的调制符号携带另外log2M比特信息；
Alice发射信号到Bob，Eve想要拦截发射天线发射的信号；
发射信号包括有用信号和人工噪声两部分，利用功率分配因子分配有用信号和人工噪声以获得好的安全性能；
通过最大化期Alice的信号干扰噪声比(SINR)和Eve的人工噪声信号噪声比(ANSNR)的乘积，得到功率分配因子的一个解析解，以获得好的安全性能。
2.根据权利要求1所述的一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法，其特征在于：
发射信号包括有用信号eibj和人工噪声TANn两部分，在两者之间引入功率分配因子β并表示出发射信号为
根据发射机到合法接收机以及发射机到窃听者的信道HB和HE，得到Bob的接收信号yB＝HBs+nB以及Eve的接收信号yE＝HEs+nE；
进而可以表示出Alice到Bob以及Alice到Eve的互信息量I(x；yB)和I(x；yE)，由此可以表示出该系统模型的平均安全速率。
3.根据权利要求1所述的一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法，其特征在于：
利用Alice和Bob的接收信号，可以分别表示出Bob的信号干扰噪声比(SINR)以及Eve的人工噪声信号噪声比(ANSNR)，为获得更好的安全性能，应最大化SINR和ANSNR。
4.根据权利要求1所述的一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法，其特征在于：
为了将SINR和ANSNR的最大化得到平衡，令两者的乘积最大化，即最大化SINR和ANSNR的乘积(Max-P-SINR-ANSNR)，进而求解功率分配因子的解析解。
5.根据权利要求1所述的一种基于安全空间调制的低复杂度高性能功率分配方法，其特征在于：
所提出的功率分配方法可以应用于未来的基于安全空间调制的网络中，如无人机、未来移动网络和智能交通等。
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